利用GPS信噪比反演土壤湿度研究

发布时间：2020-08-01 14:23

【摘要】：土壤水分在自然环境中占有不可忽略的重要地位,土壤湿度为监测区域水文波动提供了重要的观察窗口,土壤湿度变化是生态系统对气候变化响应的影响因素之一。稳定而正确的土壤湿度监测对一个地区的水文、气候、农业和灾害防治等方面提供重要监测手段。常见的土壤湿度监测方法如现场采样虽精度高但耗时费力且不利于环境保护,电磁探针数据因设备不同难以同化,这两种方法且只能获取小范围的土壤湿度。可以大范围湿度监测遥感卫星数据存在时间分辨率低缺少地面数据验证的限制。本文从降低人力和数据成本、提供长时间稳定土壤湿度监测为目标,研究利用地面GPS接收机信噪比观测值反演土壤湿度方法和影响因素。本文算法可以进行以监测站为原点半径为25米范围内土壤湿度估计,实验中反演值与已知值最大差距为0.12cm~3/cm~3,反演值最大标准差为0.131cm~3/cm~3,满足此范围内的土壤湿度监测需求。文中根据不同观测环境下,对信噪比数据振幅、相位、振动频率的分析得:(1)只考虑土壤湿度情况下,土壤湿度变化会引起信噪比相位平移,振幅随湿度增大而增大。(2)只考虑植被情况下,植被生长同样会造成信噪比相位平移,信号反射面更接近接收机,由于植被对能量吸收作用,造成振幅减小。(3)反射点经过坡面地形的卫星数据,经频谱分析,存在强烈的噪声背景。(4)积雪会改变信噪比的振动频率,利用此特性可进行雪深反演。通过环境参数时间序列变化分析得:(1)由于反射物吸收信号能量,存在振幅异常偏低的情况。植被、温度、湿度对振幅起共同影响,其中植被对振幅影响最大。(2)有效反射高度受地形、信号透射深度、地面粗糙程度影响,当土壤湿度小于0.1cm~3/cm~3时,信号透射深度大约为6~8cm。(3)相位参数与土壤湿度呈强线性相关特性,可建立线性模型反演土壤湿度。限制模型精度的原因有:1)如DOY132处,相位参数在下雨时期呈跳跃式上升,与已知值变化趋势有较大差距。2)模型未考虑植被对相位的影响。3)作为已知的土壤湿度数据本身存在一定的误差范围。文中分析了地形、原始信号选择长度、高度角范围选取及信号频率对反演质量的影响。对地形影响分析实验中得,1%的坡度变化使各卫星不同数据段反演质量出现明显差异。G18卫星两段数据与已知湿度的相关系数由0.830降为0.712,G12卫星由0.826降为0.680;同一时间段,反射点经过较大地形变化的卫星数据得到相关系数更低且标准差大于反射点经过平坦的卫星数据。在原始数据选择方面,首选原始数据为S2信噪比,数据过长或者过短都会降低反演质量,实验中5°~25°高度角的信噪比数据得到相位参数标准差为0.059,相关系数为0.755的结果。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P237
【图文】：

示意图,探测系统,示意图

S-R 技术Global Navigation Satellite System）系统随着现代化进程的星座的发展格局。各个定位系统都能为广大的用户提供高精位、导航、授时服务，24 小时不间断运行的卫星提供了无限量94 年，Auber 在汇报机载海面飞行试验过程中，表明接收到美国科学家察觉到这种定位应用中的污染信号很有可能成为，美国 NASA 进行了三次实验以证明传统接收机具有接收和后 1997 年，通过使用 GEC Plessey GPS 软件接收机实施的多可以用于反演海面信息[17]，随后，这种利用反射信号获取环S-R( Global Navigation Satellite System Reflectometry)。R 技术是一种新型 L 波段微波遥感技术，通过观测定位中被取环境参数。GNSS 星座作为微波信号发射源，而搭载在卫机通过接收和识别多源的卫星信号，通过解析反射信号的振获取环境状态信息。GNSS-R 系统微波信号收发示意图如下[1

示意图,双天线,模式,示意图

西南交通大学硕士研究生学位论文所示，根据直反射相关功率波形的变化反应出地表状态。直反射信号间的时延反程[20]；峰值功率大小与地表反射系数存在强相关，利用峰值大小可反演土壤湿波形后延特性与反射面粗糙程度有关，波形不用程度的后延可以反演地表粗糙程海面风场[22]。

波形,直反射,信号相关,功率

【参考文献】